21 Nisan 2014 Pazartesi

Doğal Elyafların Alev Geciktirici Olarak Kullanılması

Biyokompozitlerin ana bileşeni olarak agro-fiberler


Son yirmi sene boyunca doğal elyaflar otomotiv, uçak, kağıt ve tekstil endüstrisi dışında yapı ve inşa sektörlerinde de hafif olmaları ve yenilenebilir kaynaklardan elde edilmeleri sebebiyle, cam ve diğer sentetik elyaf katkılı kompozitlerin yerine birçok alanda kullanıldılar.

Şimdiye kadar doğal katkılı kompozitler dendiğinde ahşap elyaflar (keten, kenevir ve pamuk gibi) akla geliyordu. Tarımsal kalıntılardan elde edilen doğal elyaflar hala birçok avantaj ve potansiyeline rağmen değer kazanmadılar.

Çevresel ve sosyal açıdan ekinlerin özel olarak elyaf üretimi için kaynak olarak ekilmesi tartışma halindeyken, tarımsal kalıntılar için böyle bir durum söz konusu değil. Agro-fiberler (örnek: tarımsal bitki kalıntı elyafları) doğal elyaf kompozitlerinin ana bileşeni olarak kullanılabilirler ve bu durumda bazen bu plastikler, agro-plastik olarak adlandırılmaktadır. Tahıl ekimi Dünya Bankasının 2013 rakamlarına göre dünya çapında 700bin hektarı kaplamaktadır. Üretim açısından mısır birinci sıradadır, sonra pirinç sonra da buğday gelmektedir. Pirinç ve buğday samanları dünya çapında en yüksek bulunan agro-fiber çeşitleridir.

Biyoplastik ve agro-fiberlerden yeşil agroplastikler

Mimarlık alanında saf biyoplastik uygulamalarının avantajı tasarım serbestliği, uçucu organik bileşiklerin emisyonunun olmadığı sağlıklı iç hava kalitesi ve daha güvenli bertaraf olasılıkları düşünüldüğü zaman oldukça açıktır. (Resim 2) Bu sebepten dolayı da tarımsal kalıntılardan üretilen agro-fiberlerin avantajlarını, biyoplastik avantajları ile birleştirmek  ve bunlardan mimari yeşil biyokompozit ürünler üretmek başarılı bir seçenektir.

Termoform kalıplanmış yeşil agroplastik paneller için farklı mimari seçeneklerin gösterimi

Saf biyoplastikleri mimari uygulamalarda kullanmak düşük yanmazlık direnci ve fiyat yönünden ciddi dezavantajları getirmektedir. Bununla bağlantılı olarak da, son ürünün alev geciktirici özelliğini geliştiren, biyoplastiği doldurup yerine geçen ucuz ekolojik dolgu maddelerinin arayışı başladı. Bu da küresel olarak bulunabilen ve doğal alev geciktirici silika içeren samanın ekolojik dolgu olarak kullanılması ve pahalı ve sağlıklı olmayan alev geciktiricilerin yerine geçmesi ile mümkün oldu.

Aşağıdaki tablo ana yeşil biyokompozit bileşeni potansiyeli için iki saman tipinin, yumuşak ve sert ahşap ile karşılaştırarak, iç kimyasal yapısını göstermektedir.

Geçmişteki karşılaştırmalarda içerdiği yanmazlık özellliği olan ve yapı uygulamalarında kullanılabilen yüksek miktardaki kül ve silika içeriği sayesinde tahıl samanlarının gerçek potansiyelleri gösterilmişti. Ek olarak silikanın hızlı biyobozunurluk özelliğine karşı geldiği ve bu sayede biyobozunur polimerler ile birleştirildiğinde son ürünün yanmazlık özelliğini geliştirirken ömrünü de uzattığı belirlendi. Bütün bu özellikler yapı ve inşaat sektörü için oldukça önemli.

Saman biyoplastikler için doğal alev geciktirici olarak uygulandı:

Almanya'nın Stuttgart kentinde ITKE Üniversitesinde yapılan pirinç samanı (RS) ile yapılan çalışmalarda, iki tür biyoplastik kullanıldı: PLA ve Lignin. Aynı zamanda klasik poliolefin olan PP de karşılaştırma amaçlı test edildi. Yeşil RS-PLA örnekleri RS-PP ile karşılaştırılırken; yeşil RS-lignin örnekleri de selüloz-lignin bazlı farklı malzemeler ile karşılaştırıldı. Örnekler, mekanik, görsel ve ekolojik olarak karşılaştırılmalarının yanında; alev dirençleri ve sınıfları da belirlendi. Çalışmalarda pirinç samanı her seferinde kütlesel olarak %20-30 oranında uygulandı.

Başlangıç çakma sonrası zaman >10 saniye fakat 30 saniyeden az. İkinci yakma sonrası zaman 250 saniyeden az. Pamuk gösterge yanmadı ve örnekler tamamiyle tükendi. Bunla ilişkili olarak da alev sınıfı UL-V-1 olarak belirlendi. (B2= normal alev yanmazlığı, DIN 1402)
İlk alev sonrası zaman 10 saniyenin altında ikincisi ise 50 saniyenin altına. Toplam ise 60 saniye altında. Ek olarak örnekler tükenmedi ve göstergede herhangi bir iz bulunmuyor. Buna göre alev sınıfı UL94-V-0 (B1= yanması zor, DIN1402)


Uygulanan pirinç samanında bulunan, yüksek silika içeriğinin geliştirilen biyokompozitlerin yanma davranışındaki etkisi incelendi. Her örneğe UL1694 standardına göre 20 saniyelik direk alev uygulandı. UL1694, UL94 standardı ile eşlenik fakat 2500mm3'ü geçmeyen örnekler için kullanılıyor. Elde edilen sonuçlar her iki standarda göre incelendi. 



Sonuçlara göre, RS-PLA'nın yanmazlık özelliği RS-PP'ye göre çok daha üstün çıktı. RS-PP 105-148 saniye kadar yanmaya devam etti. Bu başarısız sonuç DIN 1402 standardına göre malzemenin B-malzeme sınıfında olmasına sebep oldu. Öte yandan RS-PLA örneklerinin yanması hemen 2-4 saniye içinde durdu. Tekrar yakıldığında ise bu sefer yangın 60 saniyeden kısa sürede söndü. Her iki testte de örnekler testin sonunda 3 kere daha tekrar yakılmasına rağmen tamamen tükenmedi. RS-PLA malzemesi DIN1402'ye göre UL-V2 sınıfı ve ya B3 sınıfı olarak belirlendi.

RS-lignin malzemesi ise çok daha başarılı oldu. Bunun muhtemel sebebi RS içindeki  saman lignini ve silika arasındaki özel ilişki olarak tahmin edildi.(7) Bu da uyumu ve ekstra etkiyi arttırdığı tahmin edildi. Bu sayede silika kompozit yapının içinde homojen bir şekilde dağıldı ve alev yanmazlığını daha iyi optimize etti.

Örnekler tamamiyle eridi ve tükendi. İlk yanma 30 saniyeden fazla sürdü. Bu sebeple malzeme uygulanan standardın altında ve yanmazlık sınıfına dahil edilemez.

Aynı lignin bazlı kompozit için alev yanmazlık derecesi sadece kullanılan doğal elyaf lignoselülozik klasik elyaftan tahıl samanına değişince B2 ile B1 arasında değişti.(Resim 2) Örnekler lignin-selüloz bazlı pazardaki ürünlerle de karşılaştırılınca üstün özelliğe sahip olduğu tespit edildi.

Tahıl samanlarının kimyasal kompozisyonlarının yumuşak ve sert ahşap ile karşılaştırılması

Sonuç

Yapılan bütün bu çalışmalar sonucunda, küresel çapta en çok bulunan agro-fiber olan samanın pahalı ve sağlıksız alev geciktiricilerin yerine geçmek konusunda özellikle de biyoplastikler ile birlikte oldukça yüksek potansiyeli olduğu gösterildi. 
Biyoplastiklerin alev geciktirici ve fiyat dezavantajları sebebiyle halen mimari uygulamalarda zorluk yaşatıyor. Fakat geri dönüşüm ve sağlık açısından da kullanımları oldukça önemli. Saman-biyoplastik kombinasyonları oluşacak son yeşil kompozitlerde daha yüksek alev geciktirici sınıfların elde edilmesini sağlıyor. Bu sayede Avrupa'da Temmuz 2013'te getirilen inşaat ürünleri regulasyonlarına uyum sağlanabiliyor. Aynı zamanda Avrupa Teknik Standartları tarafından belirlenen inşaat ürünlerinde CE işareti de gerekiyor. Bu da dünyada bulunan en ucuz doğal elyafı ekolojik dolgu olarak kullanıp, son ürünün fiyatını düşürerek ve aynı zamanda başta alev direnci olmak üzere teknik özelliklerini geliştirerek mümkün olabilir. 

Kaynaklar:

1- Jenkins, B,M. Properties of biomass - In Biomass Energy Fundamentals. PRI TR-102107. Palo Alto, California. EFR - Electric Power Research Institute, 1993.
2- Summer, M. Fundamental properties of rice straw in comparison with softwoods. Davis. Department of Engineering, University of California, 2000.
3- Gelletti, AMR and Antonetti, C. Biomass pre-treatment.: separation of cellulose, hemicellulose and Lignin. Eurobrief. (Online) September 19, 2011.
4-Yang, Y and Reddy N. High Quality and Long Natural Cellulose Fibers From Rice Straw and Method of Producton Rice Straw Fibers. US 2006/0180285 A1 Lincoln NE (US) August 17, 2006.
5-Pekarovic, J, Pekarovicova, AD and III, Fleming. Preparation of Biosilica- enriched Filler and an Example of its Use in Papermaking Retention System. 63, 2008, Papir a Celuloza, Vols, 7-8, pp, 218-222.
6-Chander, R and Ajay, K. et al. Lignocellulose Biotechnology Future Prospects. India: International Publishing House Pvt. Ltd., 2007.

7-Jiang-yu, F. and Xue-long, M. In vitro simulation studies of silica deposition induced by lignin from rice. Journal of Zheijang University, SCIENCE B 2006, Vol. 7, 4, pp. 267-271.

Hiç yorum yok :

Yorum Gönder